DE69231056T2

DE69231056T2 - Herzschrittmacher mit einer an die Belastung eines Patienten angepassten Reizungsfrequenz

Info

Publication number: DE69231056T2
Application number: DE69231056T
Authority: DE
Inventors: Thierry Legay; Alain Ripart
Original assignee: Ela Medical SAS
Current assignee: Sorin CRM SAS
Priority date: 1991-12-31
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2012-10-10
Also published as: US5330510A; EP0550293A1; JPH0639040A; FR2685642B1; EP0550293B1; FR2685642A1; ES2146207T3; DE69231056D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Herzschrittmacher mit von der Belastung des Patienten abhängig geregelter Frequenz.
Zur Bewertung der Belastung des Patienten ist es möglich, die Beschleunigung entlang einer Achse, beispielsweise einer vertikalen Achse oder von vorne nach hinten verlaufenden Achse zu messen. Ein an dem Rumpf des Patienten angeordneter Beschleunigungsmesser erlaubt es, eine gute Annäherung des Energieverbrauchs bei Bewegungsanstrengungen zu erhalten. Es besteht eine gute Korrelation zwischen dem Integral des Absolutwerts des Beschleunigungssignals entlang beispielsweise der vertikalen Achse und dem Energieverbrauch des Patienten. Die Berechnung dieses Integrals über feste Zeitperioden vermittelt ein Bild der von dem Patienten bei seinen Bewegungsanstrengungen abgegebenen bzw. umgesetzten Energie, was als Regelungsparameter für die Herzfrequenz gewählt werden kann.
Das Dokument US 4 926 863 beschreibt einen Herzschrittmacher mit durch das Ausmaß der Beschleunigung entlang einer von vorne nach hinten verlaufenden Achse geregelter Frequenz.
Das Dokument US 4 771 780 beschreibt einen Bewegungsaufnehmer beruhend auf der Bewegung einer kleinen Kugel im Inneren einer mit elektrischen Kontakten versehenen geschlossenen Umhüllung.
Das Dokument EP-A-0 080 348 beschreibt einen einstückigen piezoelektrischen Aufnehmer des Gehäuses, mit dem die zu dem Gehäuse übertragenen Schwingungen aufgezeichnet werden.
Das Dokument US A 5 012 316 beschreibt einen mehrachsigen Aufnehmer aus einem einzigen Stück und seine Verbindung bzw. Verschaltung.
Ein Ziel der Erfindung besteht in der Angabe eines Herzschrittmachers mit einem Algorithmus zur Regelung der Stimulationsfrequenz abhängig von der Belastung des Patienten, wobei der Regelungsparameter für den Stoffwechsel repräsentativ ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Angabe eines Herzschrittmachers dieser Bauart, der stets eine kohärente Information bereitstellt, selbst wenn das Gehäuse des Herzschrittmachers sich nach der Implantierung dreht, und der einen besonders zuverlässigen Regelungsparameter bereitstellt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Herzschrittmacher mit von der Belastung des Patienten abhängiger, über einen beruhend auf der Messung der Beschleunigung auf dem Niveau des Rumpfes des Patienten berechneten Parameter geregelter Frequenz, mit einem eine ebene Vorderseite aufweisenden Gehäuse, und zwei im Inneren des Gehäuses angeordneten Beschleunigungsmessern, von denen jeder in der Richtung einer Achse empfindlich ist, wobei die zwei Achsen zueinander senkrecht und parallel zu der ebenen Vorderseite des Gehäuses des Herzschrittmachers sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsparameter eine Funktion der Werte der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale, bezogen auf die von dem Patienten im Verlauf seiner Belastung verbrauchte Stoffwechselenergie ist und im Fall der Drehung des Gehäuses im wesentlichen unverändert bleibt.
Gemäß weiteren Eigenschaften der Erfindung:
- weist der Herzschrittmacher einen dritten Beschleunigungsmesser auf, der entlang einer dritten Achse empfindlich ist, die zu den beiden vorherigen Achsen senkrecht ist;
- ist der Regelungsparameter das über eine bestimmte Zeit berechnete Integral der Summe der Absolutwerte der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale;
- ist der Regelungsparameter das über eine bestimmte Zeit berechnete Integral der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale;
- sind die Beschleunigungsmesser von einer auf einer Kapazitätsveränderung beruhenden Bauart;
- sind die Beschleunigungsmesser mit ebenen Substraten gebildet, wobei jeder Beschleunigungsmesser in einer in der Ebene seines Substrats enthaltenen Richtung empfindlich ist;
- sind zwei Beschleunigungsmesser auf dem selben Substrat angebracht und derart ausgerichtet, dass sie in zwei der senkrechten Richtungen empfindlich sind;
- ist ein dritter Beschleunigungsmesser vorgesehen, der in einer zu der Ebene des Substrats senkrechten Richtung empfindlich ist;
- ist der dritte Beschleunigungsmesser in der Ebene des Substrats angebracht;
- ist der dritte Beschleunigungsmesser auf dem Substrat angebracht;
- weist der Herzschrittmacher eine Integratoranordnung mit grosser Zeitkonstante auf, deren Ausgangssignal in digitaler Form ausgegeben wird;
- weist die Integratoranordnung einen Integrierer, der eine schnelle Rampe mit einer Zeitkonstanten von einigen Millisekunden erzeugt, einen Vergleicher mit einer Bezugsspannung, ein monostabiles Kippglied, das einen Impuls bei jedem Kippen des Vergleichers abgibt, und einen ein Ausgangssignal in digitaler Form ausgebenden Zähler auf;
- bestimmt ein Mikroprozessor beruhend auf dem digitalen Ausgangssignal des Zählers die geregelte Herzfrequenz.
Weitere Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erfolgt. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektronischen Kette der Messung der Stoffwechselenergie, ausgehend von Beschleunigungsaufnehmern entlang dreier orthogonaler Achsen, und die Erarbeitung von Stimulationsimpulsen mit geregelter Frequenz, wobei der Regelungsparameter das Integral der Summe der Absolutwerte der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale ist;
Fig. 2 eine der Darstellung gemäß Fig. 1 entsprechende Darstellung, bei der der Regelungsparameter das Integral der Quadratwurzel der Summe der Quadrate dieser Signale ist.
Gemäß Fig. 1 sind drei orthogonale Achsen zur Messung der Beschleunigung vorgesehen: eine von vorne nach hinten verlaufende horizontale Achse, eine vertikale Achse und eine laterale Achse. Für jede dieser Achsen ist eine Folge elektronischer Module 16, 17 bzw. 18 bereitgestellt. Jede Folge umfaßt 5 Module:
- einen Beschleunigungsaufnehmer 1 kapazitiver Bauart mit Kapazitätsveränderung, der beispielsweise auf einem Siliziumsubstrat mittels Mikro-Materialbearbeitung hergestellt wurde und eine empfindliche Achse aufweist;
- einen Verstärker 2, der eine Spannungsveränderung bei einer Kapazitätsveränderung bei dem Aufnehmer 1 bereitstellt; wobei dessen Ausgang typischer Weise 270 mV/g bereitstellt, wobei g die Beschleunigung der Erdanziehungskraft ist;
- ein Tiefpassfilter 3 zur Beseitigung parasitärer Bestandteile des von dem Aufnehmer aufgenommenen Beschleunigungssignals; wobei dessen Grenzfrequenz bei einigen Hz, typischerweise bei 6 Hz liegt;
- ein Hochpassfilter 4 mit einer unterhalb von einem Hz liegenden Grenzfrequenz, vorzugsweise zum Beispiel von 0,7 Hz, zur Beseitigung des statischen Bestandteils des terrestrischen Gravitationsfeldes;
- und einen Zweiweggleichrichter 5, der den Absolutwert des Beschleunigungssignals bereitstellt.
Für jede der drei Achsen wird der Absolutwert des Beschleunigungssignals an einen Summierer 6 angelegt. Ein Integrierer 7 empfängt das Ergebnis der Summierung durch den Summierer 6 und erzeugt eine schnelle Rampe mit einer Zeitkon stanten von einigen ms, typischerweise von 3,9 ms. Der Ausgang des Integrierers 7 wird an einen Eingang eines Vergleichers 8 angelegt, dessen Bezugseingang bzw. Referenzeingang eine Referenzspannung empfängt, die von einer Schaltung 9 zur Erzeugung einer regelbaren Referenzspannung stammt.
Der Ausgang des Vergleichers bzw. Komparators 8 ist mit einem monostabilen Kippglied 10 verbunden, welches bei jedem Kippen des Komparators 8 einen Impuls bereitstellt. Der Ausgang des monostabilen Kippgliedes 10 ist mit einem Eingang zum Rückstellen auf Null des Integrierers 7 und einem Eingang eines Zählers 11 verbunden.
Die Gesamtheit der Module 7 bis 11 bildet einen Integrierer mit großer Zeitkonstante, dessen Ausgangssignal direkt in digitaler Form erhalten wird. Die Arbeitsweise ist wie folgt:
Der Integrierer 7 erzeugt in einer relativ kurzen Zeit eine schnelle Rampe. Wenn der Ausgang des Integrierers die von der Schaltung 9 stammende Referenzspannung überschreitet, kippt bzw. schaltet der Vergleicher 8 um, und löst das monostabile Kippglied 10 aus, welches einen Impuls an den Zähler 11 abgibt. Dieser Impuls inkrementiert den Zähler 11 und setzt den Integrierer 7 auf Null zurück. Der Vorgang beginnt also auf identische Weise erneut.
Die Einstellung der Referenzspannung erlaubt es, die Verstärkung der elektronischen Kette zu regeln, um die Kette an Aufnehmer unterschiedlicher Empfindlichkeiten anzupassen.
Der Taktsignalgeber 12 definiert die Zeit der Berechnung der Stoffwechselenergie, beispielsweise 1,5 s: alle 1,5 s wird das Ergebnis des Zählers 11 in Kippgliedern gespeichert, dann wird der Zähler für einen neuen Meßzyklus auf Null zurückgesetzt.
Der Mikroprozessor 13 erfaßt den Messwert der Stoffwechselenergie Pmet und bewirkt die Berechnung der Herzfrequenz Fc mittels einer linearen Beziehung:
Fc = A.Pmet + Fc.base
Der Parameter Fc.base entspricht der Herz-Grundfrequenz und wird durch den Arzt festgelegt. Die Steigung A der Regelung wird durch den Arzt festgelegt, aber sie kann automatisch erneut berechnet werden, um dem Patienten bestmöglich angepaßt zu sein.
Zur Bestimmung der Herz-Stimulationsfrequenz wird die berechnete Frequenz Fc nur in Betracht gezogen, wenn sie von der Grundfrequenz um mehr als 6% abweicht.
Die Schaltung 14 ist eine spezielle integrierte Schaltung. Sie empfängt von dem Mikro-Prozessor 13 die Eigenschaften der Breite, der Amplitude und des Rhythmus der anzulegenden Stimulationsimpulse und erzeugt diese Impulse, die an die Elektrode 15 einer Stimulationssonde angelegt werden.
Der Regelungsparameter ist eine Funktion der Stoffwechselenergie Pmet, die von dem Patienten bei der Belastung verbraucht bzw. umgesetzt wird. Die Berechnung dieser Energie wird durch Auswertung des Energieverbrauchs des Patienten über einen festgelegten Zeitraum realisiert, die bei dem beschriebenen Beispiel 1,5 s ist. Dieser Zeitraum wird durch den Taktsignalgeber 12 festgelegt. Der Energieverbrauch wird durch Integrieren der Summe der Absolutwerte der entlang den Achsen der Beschleunigungsaufnehmer gemessenen Beschleunigungssignale erhalten.
In der Fig. 2 sind die gleichen Elemente wie jene in der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Die Veränderungen mit Bezug auf Fig. 1 sind wie folgt:
- Der Zweiweggleichrichter 5, der den Absolutwert des Beschleunigungssignals entlang einer Achse bereitstellt, ist durch einen Quadrierer 19 ersetzt, der das Quadrat des Beschleunigungssignals entlang dieser Achse ausgibt.
Jede der Folgen elektronischer Module 16, 17, 18 stellt das Quadrat des Beschleunigungssignals entlang seiner Achse bereit.
- Der die Summe der Absolutwerte der Signale entlang jeder der drei Achsen bereitstellende Summierer 6 ist durch ein elektronisches Modul 20 ersetzt, welches die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Beschleunigungssignale entlang jeder der drei Achsen ausgibt.
In dem Fall der Fig. 2 ist die Messung der Beschleunigung mathematisch präzise. In dem Fall gemäß Fig. 1 ist diese Messung angenähert, und im Fall der Verdrehung des Gehäuses kann sich daraus ein Messfehler ergeben, der bis etwa 25% betragen kann, und beispielsweise durch einen automatischen Kalibrierungsalgorithmus der Beziehung Fc und Pmet kompensiert wird.
Erfindungsgemäß liegen die Beschleunigungsaufnehmer in Form von Chips bzw. Halbleiterbausteinen vor, die auf der elektronischen Schaltung des Herzschrittmachers im Inneren des Gehäuses des Herzschrittmachers angeordnet sind. Die Gesamtheit der Aufnehmer bildet einen mehrdimensionalen Be schleunigungsmesser zur Verbesserung der Schätzung der durch den Patienten bei seiner Bewegungsanstrengung abgegebenen Energie.
Ein Beispiel des Beschleunigungsaufnehmers, der zur Verwendung im Rahmen der Erfindung geeignet ist, ist in dem Dokument EP 0 149 572 beschrieben.
Bei einem beispielsweise aus Silizium bestehenden Substrat ist eine das Substrat durchquerende und in dem Substrat eine flexible Stange definierende Aussparung vorgesehen, die entlang einer zu der Oberfläche des Substrats parallelen Richtung orientiert ist und geeignet ist, um entlang einer zu ihrer Orientierungsrichtung senkrechten Richtung und parallel zu der Oberfläche des Substrats deformiert zu werden. Mit dieser Stange ist es somit möglich, mittels einer Kapazitätsveränderung die Beschleunigungskomponente entlang der zu ihrer Orientierungsrichtung senkrechten Richtung zu messen.
Mit zwei Aufnehmern dieser Bauart, die in den senkrechten Richtungen X und Y einer Ebene empfindlich sind, sowie einem in der zu dieser Ebene senkrechten Richtung Z empfindlichen Aufnehmer, wobei diese drei Aufnehmer in dieser Ebene angeordnet sind, oder mit äquivalenten Aufnehmern zum Messen der Beschleunigungen in drei senkrechten Richtungen sind die Bestandteile der Beschleunigung alle bekannt.
Vorteile dieser Anordnung sind insbesondere:
- eine vollständige Information bezüglich der Bewegungen des Rumpfes und folglich eine bestmögliche Annäherung des Energieverbrauchs pro Zeiteinheit, das heisst, ein zuverlässigerer Regelungsparameter;
- eine Unempfindlichkeit bezüglich der Position des Gehäuses und der Position des Patienten, da das Ableseraster orthonormiert ist;
- ein gutes Signal/Störsignal-Verhältnis.
Die Beschleunigungsmesser mit Kapazitätsveränderung weisen unter anderem die folgenden Merkmale auf:
- eine ausgezeichnete zeitliche Stabilität,
- eine sehr geringe Temperaturabweichung,
- eine sehr große Empfindlichkeit,
- ein minimaler Platzbedarf, da ihre aktive Masse sehr gering ist.
Ein Beschleunigungsaufnehmer der beschriebenen Bauart ist im wesentlichen flach bzw. eben; die Orientierungsrichtung der Stange und die Richtung der Erfassung der Beschleunigungen sind parallel zu der Oberfläche des Substrats und zueinander senkrecht. Auf dem selben ebenen Substrat können zwei Aufnehmer angeordnet werden, die in zwei senkrechten Richtungen empfindlich sind. Der dritte Aufnehmer muß in der gleichen Ebene angeordnet werden, muß aber entlang einer zu der Ebene senkrechten Richtung empfindlich sein. Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser liegt in Form eines Chips vor.
Es kommt vor, daß die Verwendung von zwei Aufnehmern als ausreichend angesehen wird. In diesem Fall erfassen die zwei Aufnehmer vorzugsweise die Beschleunigungen entlang der vertikalen Achse und der lateralen Achse bzw. Querachse (Folge der elektronischen Module 17 und 18 gemäß Fig. 1).
Die bereitgestellte Information ist im wesentlichen konstant, selbst wenn das Gehäuse des Herzschrittmachers sich nach der Implantation dreht, mit den gleichen Einschränkungen wie vorhergehend in Bezug auf die Verarbeitung der Signale.
Der Fall der zwei Aufnehmer ist als im Rahmen der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, enthalten angesehen.

Claims

1. Herzschrittmacher mit von der Belastung des Patienten abhängiger, über einen beruhend auf der Messung der Beschleunigung auf dem Niveau des Rumpfes des Patienten berechneten Parameter geregelter Frequenz, mit

einem eine ebene Vorderseite aufweisenden Gehäuse, und

zwei im Inneren des Gehäuses angeordneten Beschleunigungsmessern, von denen jeder in der Richtung einer Achse empfindlich ist, wobei die zwei Achsen zueinander senkrecht und parallel zu der ebenen Vorderseite des Gehäuses des Herzschrittmachers sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Regelungsparameter eine Funktion der Werte der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale, bezogen auf die von dem Patienten im Verlauf seiner Belastung verbrauchte Stoffwechselenergie ist und im Fall der Drehung des Gehäuses im wesentlichen unverändert bleibt.

2. Herzschrittmacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Beschleunigungsmesser, der entlang einer dritten Achse empfindlich ist, die zu den beiden vorherigen Achsen senkrecht ist.

3. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsparameter das über eine bestimmte Zeit berechnete Integral der Summe der Absolutwerte der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale ist.

4. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsparameter das über eine bestimmte Zeit berechnete Integral der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der die Beschleunigung entlang der Achsen wiedergebenden Signale ist.

5. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsmesser (1) von einer auf einer Kapazitätsveränderung beruhenden Bauart sind.

6. Herzschrittmacher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsmesser mit ebenen Substraten gebildet sind, wobei jeder Beschleunigungsmesser in einer in der Ebene seines Substrats enthaltenen Richtung empfindlich ist.

7. Herzschrittmacher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Beschleunigungsmesser auf dem selben Substrat angebracht sind und derart ausgerichtet sind, dass sie in zwei der senkrechten Richtungen empfindlich sind.

8. Herzschrittmacher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Beschleunigungsmesser vorgesehen ist, der in einer zu der Ebene des Substrats senkrechten Richtung empfindlich ist.

9. Herzschrittmacher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Beschleunigungsmesser in der Ebene des Substrats angebracht ist.

10. Herzschrittmacher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Beschleunigungsmesser auf dem Substrat angebracht ist.

11. Herzschrittmacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Integratoranordnung (7-11) mit grosser Zeitkonstante aufweist, deren Ausgangssignal in digitaler Form ausgegeben wird.

12. Herzschrittmacher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoranordnung (7-11)

einen Integrierer (7), der eine schnelle Rampe mit einer Zeitkonstanten von einigen Millisekunden erzeugt,

einen Vergleicher (8) mit einer Bezugsspannung,

ein monostabiles Kippglied (10), das einen Impuls bei jedem Kippen des Vergleichers (8) abgibt, und

einen ein Ausgangssignal in digitaler Form ausgebenden Zähler (11) aufweist.

13. Herzschrittmacher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikroprozessor (13) beruhend auf dem digitalen Ausgangssignal des Zählers (11) die geregelte Herzfrequenz bestimmt.